重科大热工设备讲义02火焰炉内热过程分析

4.火焰炉内热过程分析4.1概述火焰炉：炉料（被加热对象、物料）火焰、炉气（燃烧产物）炉料（被加热对象、物料）炉衬〔炉（内）墙〕炉墙积热炉（外）墙散热火焰炉内热过程：①气体流动＋燃料燃烧＋传热过程＋传质过程②物理过程（主要）＋物理化学过程③以传热为中心（目的）火焰炉内热过程分析：①定性物理描述（物理本质是什么？）②定量的数学描述不等温空间流动（相互影响）热流场空间温度场炉衬为主要边界条件（耦合）流体力学基础理论燃烧学炉子理论传热学传质学特殊规律＋耦合作用4.2炉内气体运动及再循环气体射流运动炉膛内气体运动气体回流运动气体射流运动研究：传统研究方法（实验研究方法）∵炉膛内气体射流≈紊流射流又∵紊流自由射流具有相似性∴实验路径冷流体自由射流冷流体限制射流冷流体半限制射流冷热流体射流差别模型实验理论（相似理论）数学模拟方法（数值计算方法）：结果分析数学模型物理模型炉子实际状态分析简化模拟结果分析数学模型物理模型炉子实际状态典型化计算射流的研究情况（自由作业，影响平时成绩）：查阅有关书目、资料，说明前人从那些角度研究射流？研究了那些射流形态？气体回流运动研究：内部再循环（自然再循环）结构作用气体再循环的方式外部再循环（结构再循环）设备作用钝体再循环再循环现象示意图：气体再循环的流动特征（图）气体再循环指标：再循环率，再循环倍率缩短火焰，减少火焰中小碳粒的浓度，提高火焰温度炉气再循环对燃烧的影响延长火焰，增加火焰中小碳粒的浓度，降低火焰温度影响参数：火焰根部的温度T可燃混合物中氧的浓度几何特征4.3火焰的基本特征析热特征（吸热规律）辐射特征火焰（火炬）定义：炽热的正在燃烧的气流流股。特点：①温度比周围炉气高。②有明亮轮廓的外形。③是炉气的一部分。工程计算处理方法：①分别研究火焰和炉气的作用。②将火焰和炉气作为具有某种平均温度的炉气。火焰的张角火焰的几何特征火焰的形状火焰的长度张角：由几个关系来说明：α（冷等温自由射流）＜α（实际火焰）α（无旋射流）＜α（旋流火焰）形状（由边界面确定）：流速和空气消耗系数枣核状和空心截头锥状可见火焰长度（肉眼观察）（定义之一：不完全燃烧程度qh＝1%－2%处）长度：三种指标火焰的化学当量长度Lst（轴线上空气消耗系数n＝1时的位置）实际火焰长度Lf火焰的析热特征（析热规律）析热规律之一： _____离烧嘴出口x处燃料不完全燃烧百分数；在火焰开始端燃料不完全燃烧的热量占燃料化学热的百分数；――火焰长度（即燃烧带长度，从喷嘴出口至＝0处的长度）；P－－指数，代表燃烧速度的特性，P值越大表明燃烧进行得愈快。析热规律之二： ――燃尽程度x――沿火焰轴线的距离ma――经验数据b――当时，b＝1；当时，b＝2火焰的发射率（黑度）火焰的辐射特征火焰温度火焰的辐射热流密度火焰的发射率（黑度）提高火焰发射率的主要途径：火焰增碳（重油加入，碳氢化物含量↑热裂解小炭粒浓度↑ε↑）增加火焰中的小炭粒的浓度，火焰自动增碳焦炉煤气预热1100℃以上热裂解小炭粒浓度↑ε↑使火焰中局部空气不足热裂解小炭粒浓度↑ε↑火焰中增碳辉焰火焰中无炭粒暗焰火焰温度重油机械雾化喷嘴火焰温度平展旋流火焰温度火焰的辐射热流密度：关于热能与动力工程专业的服务面向：《热能与动力工程基础>翁史烈主编高等教育出版社37.7元主要面向具体设备有关知识锅炉与换热器原理,工艺叶轮式动力机械蒸汽轮机;燃气轮机,压气机,泵与风机原理,工艺往复式动力机械内燃机,压缩机原理,工艺制冷与空气调节原理,工艺热力发电技术发电厂主要辅助设备生产过程工业炉热工设备工业炉原理,工艺

4.4炉内传热4.4.1炉内辐射传热炉气温度及炉温的概念燃料的理论燃烧温度:燃料的实际燃烧温度:η=f(各种热量交换因素)注：Aη小于1B炉气向周围环境散热炉膛热交换的复杂性：火焰火焰炉气炉顶炉气炉顶物料炉墙物料炉墙炉顶热电耦火焰炉气火焰炉气炉炉墙墙物料物料

讨论：①生产中，炉温指测温热电偶所反映的温度；②炉温是一个近似的概念，无确切定义（因测温位置改变而变化）；③工程习惯：从炉顶或炉墙插入炉内１００－３００ｍｍ；④炉温是所测炉子空间的温度场的某种平均值（时间的和空间的）⑤炉气温度测量方法：抽气热电偶法平均辐射温压炉料获得的热量：辐射温压：平均辐射温压：两个例子：例１：对稳定运行的连续加热炉工业处理：端部供热连续式加热炉加热段的炉温平均值计算（完全燃烧，仅有热交换）炉气１２２炉气１２２２炉料１逆流式：２炉料１炉气炉气12顺流式：1炉料21炉料2联想：逆流＼顺流换热器对数平均温差的计算公式例２：对温度均匀的室状炉，受热物体表面温度均匀时，炉围伸展度（）的作用炉衬在炉膛传热中的作用炉衬发射率εl的作用炉衬温度的作用炉衬常识：

材料

导热系数

热容量

发射率

表面温度分析前提条件：稳定工作的炉子，tl不变，不变，且间歇操作的炉子，tl变化，炉衬积热※炉围伸展度（）的作用分析：分析：

ω↑↑

↑时，ω↑（↑）↓

↓时，ω↑（↑）↑

ω↑炉气厚度↑→↑，↑；炉气可能充不满炉膛，下层为冷气层，↓

结论一：炉膛高度要适当

结论二：炉膛高度不变，提高ω↑（凸起物→联想肋片的作用）※炉衬发射率εl的作用分析：

对无影响

对无影响

↑↑↓→对影响很小

↑节能↑※炉衬温度的作用lgm分析：

，↑↑

对影响不大

特别小时，可特别低，无惰性炉．炉气在炉膛中的传热分析曲线ａ：均匀温度场；均匀辐射热交换曲线ｂ：对称温度场；均匀辐射热交换曲线c:高温区下移温度场；直接定向辐射传热定向辐射曲线d:高温区上移温度场；间接定向辐射传热※均匀温度场辐射传热导出条件：绝热面应用：计算用于计算机控制 实测；实测；采用热电偶温度，反算※定向辐射传热直接定向辐射传热说明：定向辐射的由来↑↑△ｑ↑原因：较低温层的作用间接定向辐射传热来自炉气的热量 炉衬炉衬温度升高炉衬对物料的辐射传热增加炉气的三种辐射热交换方式的比较4.4.2炉内对流传热说明：①对流换热作用在不同类型的炉子中不同炉子类型主要传热方式对流比例说明高温火焰炉（＞1000℃）辐射热交换１０－１５％炉气速度１－３ｍ／ｓ低温炉＜650℃对流换热７０％以上②强化对流作用——高速射流加热技术（射流冲击加热）适用范围：内部热阻小的材料（小尺寸或导热性能好）优点：炉衬温度可低一点；炉膛可低一点；炉子惰性小一点③可利用各种经验公式或实验关联式计算,加热炉中的比计算结果要大一点.4.5火焰加热炉数学模型模型的类型模型以炉气的温度场状态作为划分标准:数学模型零维模型一维模型二维模型三维模型Tg特征Tl\Tm特征Tg=constTg=f(x)=f(L)Tg=f(x,z)=f(L,H)Tg=f(x,y,z)=f(L,W,H)联想传热学集总参数法一维平板导热无限长柱体的导热正六面体的导热炉子热工理论研究模型的用途炉子优化设计炉子热工计算机控制及自动检测数学模型的优势:费用低,时间短,“随心所欲”,有助于对炉子的全面认识数学模型的问题:复杂场合难以用数学描述,需实验验证,易犯“主观”错误。流体力学模型加热炉数学模型的子模型燃烧模型传热